KR101170796B1 - 영구자석 매립형 전동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 영구자석 매립형 전동기는 복수의 티스(13)를 갖는 고정자 코어(11)와 티스(13)에 감기는 코일(15)을 포함하여 이루어지는 고정자(10)와, 고정자 코어(11)에 삽입 설치되며 복수의 설치홈(25)을 갖는 회전자 코어(21)와 각 설치홈(25)에 매립 설치되는 복수의 영구자석(24)을 포함하여 이루어지는 회전자(20)를 포함한다. 여기에서, 각 설치홈(25) 및 이에 대응되는 영구자석(24)은 회전자 코어(21)의 외주면(21a) 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어지고, 각 설치홈(25)의 양 단부에는 회전자 코어(21)의 외주면(21a) 쪽으로 돌출되는 자속 단락 방지홈(26)이 각 설치홈(25)과 일체로 형성된다. 이러한 본 발명에 의하면, 자속 단락 방지홈(26)이 고조파가 발생되는 구간에서의 자속의 급격한 변화를 억제시켜 고정자(10)와 회전자(20) 사이의 간극에서의 자속 변화가 정현적으로 이루어지도록 하여, 토오크 리플이 줄어든다.

Description

영구자석 매립형 전동기{Permanent magnet type motor}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 회전자를 발췌하여 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 유기전압 선도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 토크 리플 감소 효과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 회전자를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 유기전압 선도를 나타낸 그래프이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
10...고정자 11...고정자 코어
13...티스 14...슬롯
15...코일 20,30...회전자
21,31...회전자 코어 24,34...영구자석
25,35...설치홈 26,36...자속 단락 방지홈
본 발명은 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전자 코어에 영구자석이 매립 설치되는 영구자석 매립형 전동기에 관한 것이다.
일반적으로, 회전자에 영구자석이 구비되어 회전 구동력을 발생시키는 전동기는 회전자 코어에 설치되는 영구자석의 결합구조에 따라 영구자석 표면 부착형 전동기와 영구자석 매립형 전동기로 구분된다.
이 중에서 영구자석 매립형 전동기는 회전자 코어에 복수의 영구자석이 매립 설치되며, 마그네트 토오크 뿐만이 아니라 릴럭턴스 토크를 이용하게 된다. 또한, 영구자석 매립형 전동기는 고속 회전 시 발생하는 영구자석의 분리 현상을 구조적으로 방지하게 되므로, 회전자 코어의 표면에 자석을 부착하여 자장을 형성하는 영구자석 표면 부착형 전동기에 비해 효율이 우수하여 고속 구동용으로 많이 사용된다.
이러한 영구자석 매립형 전동기는 고정자와, 고정자의 내부에 회전 가능하게 수용되는 회전자와, 회전자의 중심을 관통하여 설치되는 회전축을 포함한다. 고정자는 다수의 자성 강판을 대략 원통형상이 되도록 적층하여 만들어진 고정자 코어 와, 이 고정자 코어에 원주방향으로 배열되는 복수의 슬롯에 감기는 코일을 포함하여 구성된다.
회전자는 고정자와 마찬가지로 다수의 자성 강판을 대략 원통 형상이 되도록 적층하여 만들어지며 고정자의 중공부에 일정 간격 이격된 상태로 끼워지는 회전자 코어와, 회전자 코어에 원주방향으로 배열된 복수의 설치홈과, 각 설치홈에 끼워지는 복수의 영구자석을 구비하며, 회전축은 회전자의 중심에 형성된 중공부에 압입되어 회전자와 함께 회전하게 된다.
고정자의 슬롯에 감겨진 복수의 코일에 전류가 인가되면 각 코일의 극성이 순차적으로 변하면서 슬롯 사이에 구비되는 티스에서 회전자계가 발생되고, 이 티스부에 대향되어 있는 회전자에는 영구자석에 의한 자계가 형성된다. 그리고, 고정자의 티스에서 발생되는 회전자계의 극성과 영구자석에 의한 극성이 동일한 경우 발생되는 척력과, 극성이 상이한 경우에 발생되는 인력에 의해 회전자에 회전력이 인가되며, 회전자는 회전축을 중심으로 회전하게 된다.
그런데, 이러한 영구자석 매립형 전동기는 영구자석에서 발생되는 자속이 인접하는 영구자석으로 누설되어 효율이 저하되는 문제가 있기 때문에, 최근에는 영구자석의 누설자속을 줄여 전동기의 효율을 높이기 위한 다양한 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 회전자 코어에 발생되는 자속을 고정자의 티스에 집중시키고 회전자 구동시 코일 양단에 유발되는 유기 전압을 정현적으로 구현함으로써, 효율이 높고 진동이나 작동 소음이 작은 영구자석 매립형 전동기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 영구자석 매립형 전동기는 복수의 티스를 갖는 고정자 코어와 상기 티스에 감기는 코일을 포함하여 이루어지는 고정자와, 상기 고정자 코어에 삽입 설치되며 복수의 설치홈을 갖는 회전자 코어와 상기 각 설치홈에 매립 설치되는 복수의 영구자석을 포함하여 이루어지는 회전자를 포함한다. 여기에서, 상기 각 설치홈의 양 단부에는 상기 회전자 코어의 외주면 쪽으로 돌출되는 자속 단락 방지홈이 상기 각 설치홈과 일체로 형성된다.
이러한 본 발명에 의하면, 자속 단락 방지홈이 고조파가 발생되는 구간에서의 자속의 급격한 변화를 억제시켜 고정자와 회전자 사이의 간극에서의 자속 변화가 정현적으로 이루어지도록 하여, 토오크 리플이 줄어든다.
상기 구성에 있어서, 상기 각 자속 단락 방지홈이 상기 각 설치홈에서 돌출된 높이는 상기 영구자석의 두께보다 작다.
그리고, 상기 설치홈 및 상기 자속 단락 방지홈의 끝단면은 상기 회전자 코어의 외주면 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어지고, 상기 자속 단락 방지홈의 돌출된 높이는 상기 설치홈의 내주면을 따라 일정하거나, 중심으로 갈수록 작아진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 회전자를 발췌하여 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 유기전압 선도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 토크 리플 감소 효과를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타내 보인 것과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기는, 고정자 코어(11)와 코일(15)을 구비하는 고정자(10)와, 회전자 코어(21)와 회전자 코어(21)에 매립 설치되는 복수의 영구자석(24)을 구비하는 회전자(20)를 포함하여 이루어진다.
고정자 코어(11)는 다수의 자성 강판이 대략 원통형상이 되도록 적층되어 이루어지며, 복수의 티스(13)와, 각 티스(13)와 연결되는 요크부(12)를 포함한다. 티스(13)의 사이사이에는 슬롯(14)이 형성되고, 이들 슬롯(14)을 통해 외부 전원과 연결되는 코일(15)이 각 티스(13)에 감기게 된다.
회전자 코어(21)는 고정자 코어(11)와 마찬가지로 다수의 자성 강판이 대략 원통 형상이 되도록 적층되어 이루어지며, 고정자 코어(11)의 중앙에 형성된 중공부(16)에 각 티스(13)의 끝단과 일정 간격 이격되도록 삽입 설치된다. 도 2에 나타내 보인 것과 같이, 회전자 코어(21)의 중앙에는 회전축(미도시)이 삽입되는 축 결합공(22)이 형성되고, 축 결합공(22)의 둘레에는 결합핀(미도시)이 삽입되는 복수의 핀 결합공(23)과, 영구자석(24)이 삽입 설치되는 복수의 설치홈(25)이 구비된 다.
각 설치홈(25)은 상기 회전자 코어(21)의 외주면(21a) 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어지며, 이에 따라 각 설치홈(25)에 삽입 설치되는 영구자석(24)들 또한 원호 형상으로 이루어진다. 설치홈(25)의 바깥쪽 내주면(25a)과 안쪽 내주면(25b)의 곡률은 실질적으로 같으며, 설치홈(25)의 두께는 일정하다. 본 실시예에서 각 설치홈(25)은 축 결합공(22)을 중심으로 네 개가 한 쌍씩 대칭을 이루는 것으로 도면화되었으나, 본 발명에 있어서 설치홈(25)의 개수 및 이들의 배치 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
각 설치홈(25)의 양 단부에는 설치홈(25)의 바깥쪽 내주면(25a)에서 연장되어 회전자 코어(21)의 외주면(21a) 쪽으로 돌출되는 자속 단락 방지홈(26)이 각각 형성된다. 각 자속 단락 방지홈(26)은 그 끝단면(26a)이 회전자 코어(21)의 외주면(21a) 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어진다. 각 자속 단락 방지홈(26)의 설치홈(25)의 바깥쪽 내주면(25a)에서 돌출된 높이(H1)는 영구자석의 두께(W1)보다 작고, 이 돌출 높이(H1)는 설치홈(25)의 바깥쪽 내주면(25a)을 따라 일정하다.
그리고, 각 자속 단락 방지홈(26)은 그 끝단면(26a)의 곡률반경(R1)이 설치홈(25)의 바깥쪽 내주면(25a)의 곡률반경(R2)보다 작다.
또한, 각 자속 단락 방지홈(26)의 끝단면(26a)이 이루는 원호의 중심각(A1)은 부등식 0˚<A1<360˚/N에 의해 결정된다. 여기에서, N은 고정자(10)의 티스(13) 개수를 나타낸다. 본 실시예에서 티스(13)의 개수는 여섯 개이므로, 각 자속 단락 방지홈(26)의 끝단면(26a)이 이루는 원호의 중심각(A1)은 0˚에서 60˚ 사이의 크기가 된다.
이와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기는, 고정자(10)의 티스(13)에 감겨진 복수의 코일(15)에 전류가 인가되면 각 코일(15)의 극성이 순차적으로 변하면서 티스(13)에서 회전자계가 발생되고, 이 티스(13)에 대향되어 있는 회전자(20)에는 영구자석(24)에 의한 자계가 형성된다.
여기에서, 고정자(10)의 티스(13)에서 발생되는 회전자계의 극성과 영구자석(24)에 의한 극성이 동일한 경우 고정자(10)와 회전자(20) 사이에는 척력이 발생되고, 티스(13)의 극성과 영구자석(24)의 극성이 상이한 경우에는 고정자(10)와 회전자(20) 사이에 인력이 발생되어 회전자(20)가 회전하게 된다.
이때, 각 자속 단락 방지홈(26)은 고조파가 발생되는 구간, 즉 영구자석(24)의 경계부가 고정자(10)의 티스(13) 단부를 통과하는 부분에서의 자속의 급격한 변화를 억제시킨다. 따라서, 고정자(10)와 회전자(20) 사이의 간극에서의 자속 변화가 정현적으로 이루어져, 도 3에 나타내 보인 것과 같이 정현적인 유기전압 파형이 나타나게 된다.
또한, 도 4에 나타내 보인 것과 같이, 전동기의 부하 구동시 토오크 리플을 종래보다 줄일 수 있어 진동 및 소음이 줄어들게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 회전자를 나타낸 것이다.
도 5에 나타내 보인 본 발명의 다른 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기는 회전자(30)의 일부 구성을 제외하고 그 구성이 상기 바람직한 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 구성과 유사하며, 고정자의 구성은 상기 바람직한 실시예에서의 고정자(10;도 1참조) 구성과 동일하다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기의 회전자(30)는, 회전자 코어(31)와 회전자 코어(31)에 매립 설치되는 복수의 영구자석(34)을 포함하여 이루어진다.
회전자 코어(31)는 다수의 자성 강판이 대략 원통 형상이 되도록 적층되어 이루어진다. 회전자 코어(31)의 중앙에는 회전축(미도시)이 삽입되는 축 결합공(32)이 형성되고, 축 결합공(32)의 둘레에는 결합핀(미도시)이 삽입되는 복수의 핀 결합공(33)과, 영구자석(34)이 삽입 설치되는 복수의 설치홈(35)이 구비된다.
각 설치홈(35)은 이에 삽입되는 영구자석(34)과 함께 회전자 코어(31)의 외주면(31a) 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어진다. 설치홈(35)의 바깥쪽 내주면(36a)과 안쪽 내주면(36b)의 곡률은 같으며, 설치홈(35)의 두께는 일정하다.
각 설치홈(35)의 양 단부에는 설치홈(35)의 바깥쪽 내주면(36a)에서 연장되어 회전자 코어(31)의 외주면(31a) 쪽으로 돌출되는 자속 단락 방지홈(36)이 각각 형성된다. 각 자속 단락 방지홈(36)은 그 끝단면(36a)이 회전자 코어(31)의 외주면(31a) 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어진다. 각 자속 단락 방지홈(36)의 설치홈(35)의 바깥쪽 내주면(35a)에서 돌출된 높이(H2)는 영구자석의 두께(W2)보다 작고, 이 돌출 높이(H2)는 설치홈(35)의 바깥쪽 내주면(35a)을 따라 중심으로 갈수록 작아진다.
그리고, 각 자속 단락 방지홈(36)은 그 끝단면(36a)의 곡률반경(R3)이 설치홈(35)의 바깥쪽 내주면(35a)의 곡률반경(R4)보다 크며, 각 자속 단락 방지홈(36)의 끝단면(36a)이 이루는 원호의 중심각(A2)은 부등식 0˚<A2<360˚/N에 의해 결정된다.
여기에서, 고정자의 티스 개수 N은 상기 바람직한 실시예에서와 같으며, 각 자속 단락 방지홈(36)의 끝단면(36a)이 이루는 원호의 중심각(A1)은 0˚에서 60˚ 사이의 크기가 된다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 의한 영구자석 매립형 전동기는 이에 구비되는 자속 단락 방지홈(36)이 고조파가 발생되는 구간에서의 자속의 급격한 변화를 억제시킨다. 따라서, 고정자와 회전자(30) 사이의 간극에서의 자속 변화가 정현적으로 이루어져, 도 6에 나타내 보인 것과 같이 정현적인 유기전압 파형이 나타나게 되고, 토오크 리플이 줄어 진동 및 소음이 감소된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 자속 단락 방지홈이 고조파가 발생되는 구간에서의 자속의 급격한 변화를 억제시켜 고정자와 회전자 사이의 간극에서의 자속 변화가 정현적으로 이루어지도록 하고 회전자 코어에 발생되는 자속을 고정자의 티스에 집중시킴으로써, 토오크 리플이 줄고, 효율이 향상되며 진동이나 소음이 줄어들게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 도면화되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로
한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명은 기재된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에서
다양한 변경 및 수정이 가능하다.

Claims (7)

  1. 복수의 티스를 갖는 고정자 코어와 상기 티스에 감기는 코일을 포함하는 고정자와, 상기 고정자 코어에 삽입 설치되며 복수의 설치홈을 갖는 회전자 코어와 상기 각 설치홈에 매립 설치되는 복수의 영구자석을 포함하는 회전자를 구비하는 영구자석 매립형 전동기에 있어서,
    상기 각 설치홈의 양 단부에는 상기 회전자 코어의 외주면 쪽으로 돌출되는 자속 단락 방지홈이 상기 각 설치홈과 일체로 형성되고,
    상기 각 설치홈 및 상기 자속 단락 방지홈의 끝단면은 상기 회전자 코어의 외주면 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어지며, 상기 자속 단락 방지홈의 돌출된 높이는 상기 설치홈의 내주면을 따라 일정하고,
    상기 자속 단락 방지홈의 끝단면의 곡률반경은 상기 설치홈의 내주면의 곡률반경보다 작은 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 자속 단락 방지홈이 상기 각 설치홈에서 돌출된 높이는 상기 영구자석의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 전동기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 자속 단락 방지홈의 끝단면이 이루는 원호의 중심각(A)은 다음과 같은 부등식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 전동기.
    0˚<A<360˚/N
    (N: 고정자의 티스 개수)
  4. 삭제
  5. 복수의 티스를 갖는 고정자 코어와 상기 티스에 감기는 코일을 포함하는 고정자와, 상기 고정자 코어에 삽입 설치되며 복수의 설치홈을 갖는 회전자 코어와 상기 각 설치홈에 매립 설치되는 복수의 영구자석을 포함하는 회전자를 구비하는 영구자석 매립형 전동기에 있어서,
    상기 각 설치홈의 양 단부에는 상기 회전자 코어의 외주면 쪽으로 돌출되는 자속 단락 방지홈이 상기 각 설치홈과 일체로 형성되고,
    상기 각 설치홈 및 상기 자속 단락 방지홈의 끝단면은 상기 회전자 코어의 외주면 쪽으로 오목하게 굽은 원호 형상으로 이루어지며, 상기 자속 단락 방지홈의 돌출된 높이는 상기 설치홈의 내주면을 따라 상기 설치홈의 중심으로 갈수로 작아지는 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 전동기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자속 단락 방지홈의 끝단면의 곡률반경은 상기 설치홈의 내주면의 곡률반경보다 큰 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 전동기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 각 자속 단락 방지홈의 끝단면이 이루는 원호의 중심각(A)은 다음과 같은 부등식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 전동기.
    0˚<A<360˚/N
    (N: 고정자의 티스 개수)
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JP2000228836A (ja) * 1999-02-05 2000-08-15 Fujitsu General Ltd 永久磁石電動機
KR100416771B1 (ko) 2001-02-13 2004-01-31 엘지전자 주식회사 아이피엠 타입 브러시리스 직류 전동기

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